水文地质第六章

1、Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础第6章地下水的化学成分及其形成作用6.1地下水的化学成分Company Logo 6.3总矿化度与地下水化学成分分类6.2地下水化学成分的形成作用本章内容6.0 概述一、地下水化学成分的特点： 地下水不是纯的H2O，而是成分复杂天然溶液。 水是良好的溶剂，在空隙中运移时，可溶解岩石中的成分。 在自然界水循环过程中，地下水与大气圈、水圈与生物圈同时发生着水量和化学成分的交换。 化学性质：气体成分、离子成分、胶体物质、有机质等。6.0 概述（续1）二、地下水化学成分研究的意义 理论上：揭示地下水的形成和起源 地下水的化学成分是地

2、下水与环境（自然地理、地质背景以及人类活动）长期相互作用的产物。一个地区地下水的化学面貌，反映了该地区地下水的历史演变。 研究地下水的化学成分，可以回溯一个地区的水文地质历史，阐明地下水的起源与形成。 实际应用：水质评价 不同的用水目的在利用地下水时，对水的质量有一定要求（如：饮用水、锅炉用水、地下水对混凝土的侵蚀性等） 三、研究方法： 研究地下水的化学成分与作用必须与地下水的流动条件结合Company Logo 6.1地下水的化学成分一、地下水中常见的气体成分 氧（O2）、氮（N2）、二氧化碳（CO2） 硫化氢（H2S）、甲烷（CH4）， 常见气体成分与地下水所处环境和地下水来源有关 二、地

3、下水中主要离子成分 地下水中含量多的有七种离子 阴离子： HCO3- ， SO42- ， Cl- 阳离子： Ca2+, Mg2+, K+, Na+Company Logo 6.1.1气体成分地下水中常见的气体成分 1、氧（oxygen, O2）、氮（nitrogen, N2） 起源：大气圈，随降水入渗进入含水层中，如富含O2与N2 说明地下水是大气起源的，氮还有生物起源与变质起源 环境：在封闭环境下，氧被耗尽只剩下N2，指示水是大气起源且处于封闭环境 2、硫化氢（H2S）、甲烷（methane, CH4） 这两种气体都是在较封闭环境中，在有机质与微生物参与的生物化学过程中形成。还原环境下： S

4、O4 2- H2S，成煤过程，煤田水 成油过程，油气藏，油田水Company Logo 6.1.1气体成分（续1）3、二氧化碳（CO2） 大气降水中的CO2含量较低，地下水中CO2主要源于 土壤层（入渗过程溶于水中）：有机质残骸发酵产生、植物呼吸作用产生 碳酸盐岩地层：在深部高温下，也可变质生成CO2 人类活动：在化石燃料（煤、石油、天然气），导致大气中的CO2增加，（增长20%） 地下水中CO2增加，水对碳酸盐岩的溶解、结晶岩风化溶解能力愈强！Company Logo 6.1.1气体成分（续2 ）地下水中气体成分的意义： 气体成分指示地下水所处的地球化学环境 氧化环境 oxidation 还

5、原环境 deoxidation 气体成分可以增加水对盐类的溶解能力 促进水岩的化学反应，相互作用Company Logo 6.1.2主要离子成分水中离子成分主要取决于： 元素的丰度（克拉克值)：某元素在地壳化学成分中的重量百分比； 元素组成的化合物在水中的溶解度 地壳中主要元素有哪些？ 地壳中丰度较高的元素：Si、Al、Fe （地下水中低） 地壳中丰度较低的元素：Cl、S、C （地下水中高） 地下水中主要离子有： Anion 阴离子：HCO-3、SO2-4、Cl- Cation 阳离子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+ Company Logo 6.1.2主要离子成分（续1）主要离子构成的盐类

6、溶解度有关（参见52页表6-1）： 碳酸盐类 硫酸盐类 氯化物 常见离子在水中的相对含量与地下水中的总固体溶解物（TDS）或矿化度有关： 矿化度(g/L) :低(1)中(1-10)高(10-30) 阴 离 子: HCO3-SO42-Cl- 阳 离 子: Ca2+Ca2+,Mg2+Na+,K+ 水中阴离子在地下水水流过程的（分布）变化Company Logo + + + + + Cl- + + + + SO42- + + + + HCO3- 6.1.2主要离子成分（续2）地下水水流过程的阴离子变化Company Logo 6.1.2主要离子成分（续3）低矿化度水中的常见离子： HCO3-，Ca2

7、+，Mg2+，常来源于沉积盐岩、岩浆岩、变质岩的风化溶解 高矿化度水中的常见离子：Cl-,Na+,K+，沉积盐岩（钠盐、钾盐）的溶解、变质岩风化溶解，海水影响，人为污染 中等矿化度的常见离子： SO42-：沉积盐类溶解、金属硫化物的氧化、火山喷发 H2S气体氧化、人类活动燃烧煤产生大量SO2，SO2 氧化后形成之，大气中SO42-过高时，降“酸雨” 地下水中主要离子成分来源Company Logo 6.2地下水化学成分的形成作用溶滤作用水岩相互作用时发生 浓缩作用蒸发排泄时发生 脱碳酸作用在温度与压力发生变化时产生 脱硫酸作用在还原环境下发生：SO42- H2S 阳离子交替吸附作用岩土表面吸附

8、的阳离子与水中 阳离子发生交换 混合作用 2种不同类型地下水混合时发生 人类活动的作用影响越来越大Company Logo 6.2.1溶滤作用1.定义： 水与岩土相互作用下，岩土中某些组分向地下水中转移的过程。其结果是：岩土失去部分可溶物质，地下水中获得相应的化学成分使水中TDS。 CaCO3 + H2O + CO2 2HCO3- + Ca2+ (固)(水)(气) 2.影响因素-（水岩作用）?6.2.1溶滤作用影响因素 岩土- 化学组分 （如：石灰岩 HCO3-Ca水、花岗岩HCO3-Na水) 组分的可溶性 （溶解度、溶解速度） 盐分溶解度的差异导致易溶先进入水中，难溶的后进入水中 岩土的空隙

9、性 水- 水的溶解能力（TDS，O2、CO2气体组分），水的流动性 a.水中已溶组分的多少 b.水中某些气体组分 思考： 通常刚渗入到地下的水，矿化度很低，随着水在地下含水岩层 的运移，不断有新的盐份溶解到水中，水中TDS，水的溶解 能力下降，最终水的溶解能力0，溶滤作用是否会停止？Company Logo 地下水是如何保持它的溶解能力的地下水的流动（交替）性： 地下水的径流速度和交替强度（ V 与 Q ） 停滞与流动很缓慢的地下水，溶解能力最终会降为零，溶滤作用停止。 水如果流动速度快，水交替（更新）迅速，CO2，O2不断被补充，低TDS水不断更新溶解能力已降低的水 如果某地区地下水流动很快

10、，水交替（循环）迅速，溶滤作用很强烈，长期作用下去，地下水水化学特征如何？ 该地区地下水中的水质-矿化度是高（TDS）？还是低？ 水中以哪种阴、阳离子为主？6.2.1溶滤作用结果长期、强烈溶滤作用的结果，地下水以低矿化度的难溶离子为主，HCO3Ca水 或 HCO3Ca Mg 这是由溶滤作用的阶段性决定！在由多种盐类组成的岩石中： 早期，Cl盐最易溶于水中随水带走，岩土贫Cl盐 继续作用，较易溶SO42-盐类被溶入中随水带走，贫SO42-盐类 持续,（岩土中）只剩较难溶的碳酸盐类。 因此，分析溶滤作用及其地下水的成分特征： 要从地质历史发展的眼光（角度）来理解它是地质历史长期作用 的结果 地下水

11、是不断运动的溶解的组分会被带去（岩土组分变化） 前期溶滤作用溶滤什么组分，水中获得相应组分 后期溶滤作用长期强烈溶滤作用的结果是难溶成分的低矿化水 要用地质历史的观点去考察，去分析与研究问题！Company Logo 6.2.2浓缩作用定义：地下水在蒸发排泄条件下，水分不断失去，盐分相对浓集，而引起的一系列地下水化学成分的变化过程。 浓缩作用（过程）理想的蒸发浓缩模式 Company Logo 浓缩作用（过程）理想模式1.0L水 350mg/L 蒸发（1） 0.5L 700mg/L 蒸发（2） 0.25L 1400mg/L 蒸发（3） 0.125L 2800mg/L0.5L水1.0 L水0.2

12、5L 水6.2.2浓缩作用浓缩作用（过程）: 水份失去过程盐分相对浓集，化学成分的变化 （实际上与上述理想模式是不同的） 地下水在蒸发过程中，水分失去还有补充；盐分积累也有补充。因此，实际的蒸发作用可以产生含盐量很高的地下水(卤水)或盐渍化的土地 浓缩作用的结果：往往形成高矿化度、以易溶离子为主的地下水（Cl-Na+为主） 影响因素与蒸发排泄的影响因素相同(气候-地下水位-土层岩性)Company Logo 丘陵 倾斜平原区 低平原 浓缩作用 水流迟缓 矿化度高、Cl-Na过渡区 矿化度中、SO4-MgCa 地下水化学特征具有分带性溶滤作用 水交替迅速 矿化度低、HCO3-Ca由于地下水化学成

13、分形成作用受区域自然地理与地质条件的影响，地下水的化学特征往往具有一定的分带性（空间上的）。6.2.3脱碳酸作用（钟乳石、石笋、泉华） Ca2+(Mg2+) + 2HCO3- CO2+ H2O + CaCO3 结果：Ca2+Mg2+HCO3-矿化度pH（略有变化）6.2.4脱硫酸作用(还原环境中脱硫酸细菌使SO42-还原为H2S） SO42- + 2C + 2H2O H2S+ 2HCO-3 结果：SO42-；HCO3-，pH；寻找油田的辅助标志。6.2.5阳离子吸附交替作用定义：岩土颗粒表面往往带有负电荷，可以吸附某些阳离子。当地下水与岩土表面接触时，地下水中某些阳离子会与被吸附的阳离子发生交

14、换，从而导致地下水的化学成分发生变化。 结果：某种阳离子，另一种阳离子6.2.6混合作用结果不一定！6.2.7人为活动的作用（影响）（一）废弃物污染地下水 （二）改变地下水形成条件6.3总矿化度与地下水化学成分分类 6.3.1地下水化学成分的分析内容 是水质评价基础 分为简分析和全分析，某些专门性工作进行专项分析。 简分析：除物理性质（色、味、嗅、透明度、悬浮物等） 主要定量分析： HCO-3、SO2-4、Cl-、Ca2+、 总硬度、pH, Mg2+、 K+Na+ 及 矿化度 有时含专项分析： NO-3，NO-2 ，NH4，Fe2+ ， Fe3+， H2S，耗氧量等Company Logo 6

15、.3.1地下水化学成分的分析内容全分析项目较多，要求精度高，通常在简分析得基础上选择代表性水样进行全分析 一般定量分析：HCO3-,SO42-,Cl-，Ca2+, Mg2+, K+, Na+， NO3-，NO2- ，NH4 + ，Fe2+ Fe3+，H2S，CO2, 耗氧量，总硬度，pH, 及干涸残余物；某些微量元素、有毒组分；研究水的侵蚀性时需分水的侵蚀性CO2。Company Logo6.3.2矿化度或总固体溶解物 (TDS）矿化度或总固体溶解物 (TDS）（total dissolved solids， total dissolved salt)地下水中各种离子、分子与化合物的总量称为矿化度 求算方法： 105110温度下，水样烘干后的干涸残余物质，单位：g/L, mg/L (ppm) 计算中，用全分析实验结果，阴阳离子总和减 1/2 HCO-3含量求算 据矿化度的水样分类： 50g/L 淡水微咸水 咸水盐水卤水6.3.3水化学成分的表示方法库尔洛夫式分式前：特殊成分、气体成分、矿化度 M ，单位 (g/L) 分式上下：阴、阳离子（毫克当量百分数10% 或称 视毫摩尔百分数） 分式后：水温（oC) 特点是直观、表示简单也较全面，可以反映水的